基于剪切性能的钢桥面STC铺装组合结构优化研究

2021-03-09孙克强

公路交通技术 2021年1期

李勇，孙克强，杨波，常城

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广州 510623； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

超高韧性混凝土STC(Super Toughness Concrete)因其优异的力学性能得到了广泛应用[1]。20世纪以来，随着我国经济的快速增长，高效快速的交通网络对交通基础设施提出更高要求，大跨径钢桥应运而生。为减轻自重，钢桥多采用正交异性桥面板结构，随着服役期增长，桥梁顶板与加劲肋交界处焊缝、顶板、横隔板开孔处、铺装层等位置出现不同程度的开裂病害[2]。桥梁结构性开裂可通过改善施工工艺解决，铺装层开裂除材料本身因素外，还依附于钢桥面板刚度。国内外学者对钢桥面铺装层病害进行了大量研究，目前公认桥面板刚度不均匀导致的应力集中，开裂部位在高应力幅下产生疲劳破坏是铺装病害的根本原因[3]。为减少上述病害，近几年出现一种采用STC+沥青混凝土的铺装结构形式，利用STC的高韧高强性能提高桥面板刚度，减小钢桥面板疲劳应力幅[4]。本文针对现有国内钢桥面STC铺装使用过程中出现的病害及成因，采用有限元法对造成病害的力学指标进行优化，提出预估公式，结合实例对铺装方案进行验证。

1 国内STC铺装调研

我国STC铺装层与钢板间设置密集剪力钉，设置在纵向加劲肋中间，纵向间距一般为40 cm～50 cm，相邻2排之间呈梅花状布置，剪力钉尺寸高度约为3.5 cm～5.5 cm，直径9 mm～10 mm。STC铺装层厚一般为4 cm～6 cm，内布置直径为8 mm～12 mm、间距为2 cm～5 cm的钢筋，沥青磨耗层厚度为3 cm～5 cm[5]，如图1所示。其他结构型式因应用较少，可参考文献[6-7]。

根据JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》对国内气候分区，结合STC铺装实际应用情况，对我国夏炎热冬寒湿润、夏炎热冬冷湿润区、夏炎热冬冷潮湿区、夏炎热冬温潮湿区为代表的北京、天津、广东、湖南地区STC铺装应用情况进行了调研，桥梁参数及使用情况见表1，调研过程中发现的病害如图2所示。

(a) 组合桥面板结构

(b) 铺装结构

表1 调研桥梁情况

从表1可知，目前多数STC铺装应用情况良好，但仍有部分桥梁铺装在重交通荷载情况下出现推移病害。序号3桥梁处于夏炎热冬温区，序号4桥梁处于夏炎热冬冷区，2座桥区最热月平均气温均大于30 ℃，除磨耗层本身高温稳定性不足外，磨耗层与STC铺装层间粘结强度不足、铺装组合设计不合理导致层间剪应力过大,也是使磨耗层产生推移的原因[8-9]。序号8桥梁病害主要为伸缩缝设置不当引起，与铺装关系不大。经现场实测，序号9桥梁产生离析主要是施工质量控制不当造成。根据调研，STC铺装目前存在的结构性病害为磨耗层推移，主要因层间抗剪强度不足引起，为此，本文通过数值分析的方法，探讨减小层间剪应力的方法，优化铺装结构组合参数。

2 数值分析

依托广东省榕江特大桥，以降低STC铺装层间剪应力为目标，建立有限元模型，对STC铺装结构厚度、模量进行优化分析。

2.1 建模

1) 结构体系

钢桥由中纵腹板、倾斜底板等组成，不同位置腹板高差大，若采用第Ⅲ结构体系(带加劲肋的盖板系统)，无法考虑腹板及横隔板高度对铺装层受力影响。为此，采用钢箱梁节段局部模型(第Ⅱ结构体系)分析最不利荷位分布规律。在最大剪应力对应的荷位处，采用子模型对铺装结构进行优化分析[10]。最不利荷位分析模型如图3所示，子模型如图4所示。为确保模型正确，减小计算量，假设所用材料均匀连续、完全弹性且各向同性。

图3 最不利荷位分析模型

图4 铺装结构子模型

2) 几何参数

由于大跨径桥梁通常位于主干道，车道数较多，取单侧3车道计算模型，钢梁节段尺寸为8.4 m×14.0 m，取节段的1/2结构为最不利荷位计算模型。钢材采用16Mnqc钢，防水粘结层采用高粘沥青，通过接触对单元定义层间粘结性能。接触对单元如图5所示，模型基本参数见表2、表3。

(a) 接触单元

(b) 目标单元

表2 模型几何参数

表3 模型材料参数

3) 边界条件

最不利荷位计算时，采用10节点实体单元模拟钢箱梁顶板和铺装结构层，采用壳单元模拟加劲肋腹板、横隔板，壳与体单元采用MPC多点约束耦合自由度，模型尺寸见表2。由于结构采用了对称，对称面处节点横向位移Dx、纵向转动自由度Ry和竖向转动自由度Rz采用对称约束，节段处节点采用约束方程建立刚域，在质心位置施加简支约束[11]。结构优化时，取最不利荷载位置处3倍轮载尺寸为计算模型，如图4所示。

4) 荷载形式

根据实际交通条件，设计荷载采用公路I级车辆标准[12]。单轴双轮荷载形式，轴重140 kN，单轮重35 kN，轮压0.81 MPa，考虑冲击系数为0.35，汽车制动力取附着系数为0.6[13]。单轮接地面积432 cm2，宽度0.2 m，长度0.216 m，两轮间距0.1 m。双轮矩形均布荷载，如图6所示。

单位：cm

5) 加载工况

每个车道横向设置2个加载位置，在每个位置上布置3种加载工况：(1) 荷位1施加于U形肋正上方；(2) 荷位2施加于U形加劲肋和钢桥面焊点正上方；(3) 荷位3施加于两U形加劲肋之间正上方，如图7所示。纵桥向车辆从横隔板向跨中移动，共9个荷位，如图8所示，距离横隔板距离分别为0 m、0.108 m、0.156 m(1/16跨)、0.200 m、0.313 m(1/8跨)、0.500 m、0.625 m(1/4跨)、1.000 m、1.250 m(1/2跨)。此外，在中纵腹板处增加9个加载点，如图9所示。分析模型共(3×2+9)×9=135个加载点，3×6×9+9×9=243个工况。

2.2 最不利荷位

最不利荷位数值模拟分析时忽略防水粘结层，认为STC铺装层与磨耗层完全粘结。根据界面理论，在不同材料交界面上，材料变形具有不连续性，为反映这种情况，最不利荷位分析时采用剪切应变这一力学指标。取135个加载点处243个工况下最大剪应变值绘制成云图，如图10所示。图10中，Zx代表横向剪应变，Zy代表纵向剪应变。为反映剪切应变变化规律，在最大剪应变位置处沿纵横截面剖开，绘出最大剪应变沿纵横向变化趋势，如图11、图12所示。

图7 U肋处横向荷位示意

图8 纵向荷位示意

图9 纵腹板处横向荷位示意

对比图10(a)、(b)可以看出：1) STC与磨耗层间纵向剪应变与横向剪应变均对中纵腹板较敏感，纵向剪应变在距横隔板1/8跨处有极值；2) 横向剪应变大于纵向剪应变；3) 横向剪应变在纵向荷位9、横向荷位1处有最大值；4) 纵向剪应变在纵向荷位5、横向荷位1处有最大值。

从图11、图12可以看出：1) 沿横桥向，横向剪应变与纵向剪应变变化趋势相反，但均在中纵腹板附近有最大值；2) 沿纵桥向，横向剪应变在跨中处有最大值，纵向剪应变在距横隔板1/8跨处有最大值。据此，可取跨中处U肋正上方为剪应力的最不利荷位，以下子模型分析时，取此荷位为加载位置。

(a) Zx

(b) Zy

2.3 层间最大剪应力分析

以表2、表3中参数为基准，2.2节得到的最不利荷位为加载工况，采用子模型对不同铺装层厚度、模量组合及不同粘结层综合模量对比分析，计算结果如图13～图15所示。

(a) Zx

(b) Zy

图13 层间剪应力随上下层模量变化对比

图14 层间剪应力与上下层厚度关系

从图13可见，层间剪应力与磨耗层模量呈负相关，与STC铺装层模量呈正相关，但对二者模量变化的敏感程度接近。在桥梁截面承载能力满足设计要求的前提下，为保证层间剪应力有较小值，磨耗层弯拉模量不宜小于400 MPa，STC铺装层回弹模量不宜大于43 500 MPa。

图15 层间剪应力与粘结层模量关系

从图14可见，当下层STC铺装层厚度小于30 mm时，层间剪应力对下层厚度较敏感；当大于30 mm时，层间剪应力变化率减小。考虑内部钢筋网保护层厚度及施工因素，建议下层厚度不小于45 mm。层间剪应力对上层磨耗层厚度较不敏感，计算厚度范围内降幅为15.1%，考虑混合料抗拉强度指标，磨耗层厚度不应小于35 mm。

从图15可知，层间剪应力与粘结层模量呈正相关，采用粘结层材料时应注意自身特性与结构的匹配。

本文根据函数拟合原理及量纲分析准则，提出STC铺装层间剪应力计算公式：

(1)

式中：τ为剪切应力，MPa；G为钢桥结构参数，对本文采用的结构，取0.022；E下、h下分别为STC铺装模量及厚度；E上、h上分别为磨耗层模量及厚度；E粘为粘结层综合模量，MPa。

以最小剪应力为目标，根据式(1)可优化铺装结构。下文将据式(1)计算榕江桥铺装方案层间剪应力，并与抗剪强度比较，验证铺装结构适用性。

3 应用案例

以榕江特大桥为例，设计方案为50 mm STC+高粘沥青砂+40 mm SMA13，如图16所示，根据广东省地方标准GDJTG/T A01—2015《超高性能轻型组合桥面结构技术规程》，各铺装层材料参数取值见表4。

根据JTG/T 3364—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》[14]附录C试验方法测得层间抗剪强度。有限元模拟结果、计算公式(1)计算结果、试验结果对比如图17所示。从图17可知，式(1)计算出的层间剪应力为0.498 MPa，有限元计算结果为0.475 MPa，两者误差在10%以内，且式(1)计算结果较有限元计算结果小，偏于保守；式(1)及有限元计算的层间剪应力均小于粘结层抗剪强度。